JP4665763B2 - 不活性雰囲気リフロー炉 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板と表面実装部品をソルダペーストではんだ付けする不活性雰囲気リフロー炉に関する。

リフロー炉でのはんだ付けに用いるソルダペーストは、粉末はんだとペースト状フラックスからなる粘調性のあるはんだ付け材料である。このソルダペーストを用いてプリント基板と表面実装部品（Surface Mounted Device：SMD）のはんだ付けを行う場合、プリント基板のはんだ付け部と同一箇所に穴が穿設されたメタルマスクを、穴とはんだ付け部が一致するようにしてプリント基板の上に載置した後、メタルマスクの上にソルダペーストを置き、該ソルダペーストをスキージーで掻いて、ソルダペーストをメタルマスクの穴の中に充填する。そしてメタルマスクをプリント基板から上方に移動させると、ソルダペーストがプリント基板のはんだ付け部に印刷塗布される。その後、プリント基板の塗布部に所定のSMDを搭載してから、該プリント基板をリフロー炉の搬送装置でリフロー炉内に搬送して、はんだ付けを行う。

プリント基板のはんだ付けを行うリフロー炉は、入口から出口方向に向かって順次、予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンとなっており、これらのゾーンに沿って搬送装置が走行している。プリント基板は、搬送装置で搬送されながら、予備加熱ゾーン、本加熱ゾーン、冷却ゾーンを通過してはんだ付けがなされる。

リフロー炉の予備加熱ゾーンは、プリント基板を100〜150℃に加熱することによりソルダペースト中に含まれている溶剤を蒸発させるとともに、次工程の本加熱ゾーンでの高温加熱で溶剤が突沸するのを防いだり、プリント基板やSMDを高温加熱でのヒートショックに対して緩和させたり、さらにはフラックスの活性作用を活発にさせて、はんだ付け部やSMDの電極に付着していた酸化物や汚れを除去して清浄にしたりする。

本加熱ゾーンは、温度がソルダペースト中の粉末はんだの溶融温度以上となっており、プリント基板に塗布されたソルダペーストの粉末はんだを溶融させて、プリント基板のはんだ付け部とSMDの電極間にはんだを行きわたらせる。

冷却ゾーンは、本加熱ゾーンで高温に加熱されたプリント基板に冷風を吹き付けることにより、溶融したはんだを固化させて振動や衝撃ではんだ付け部が崩れないようにし、またプリント基板やSMDを急速に冷やして熱から受ける影響をなくすようにする。

ところでソルダペーストのフラックスには、活性剤が不可欠な成分である。活性剤は、はんだ付け時にプリント基板のはんだ付け部やＳＭＤの電極が高温加熱されて酸化されても、該酸化物を還元除去して清浄化する作用を有しており、活性剤の添加量が多いほど、はんだ付け性が良好となって不良が少なくなる。しかしながら活性剤の添加量が多いソルダペーストではんだ付けを行うと、はんだ付け後、はんだ付け部に付着したフラックス残渣が吸湿して電解質となり、はんだ付け部を腐食させたり絶縁抵抗を下げたりする。そのため信頼性が要求される通信機器やコンピューター等に使用するプリント基板は、ソルダペーストを用いてのはんだ付け後にフラックス残渣を洗浄除去することが行われていた。このフラックス残渣の洗浄にはトリクレンやフロン、アルコール等の洗浄液が使われていたが、これらの洗浄液は地球を取り巻くオゾン層を破壊する原因となったり、地球温暖化の原因となったりすることから使用が規制されている。そのため現在では、はんだ付け後に洗浄の必要のないソルダペースト、即ち無洗浄ソルダペーストが使用されるようになってきた。この無洗浄ソルダペーストとは、活性剤の添加量が少なく、はんだ付け後のフラックス残渣も非常に少ないため洗浄しなくても腐食や絶縁抵抗の低下等という問題が発生しないものである。

無洗浄ソルダペーストは、活性剤の添加量が少ないため、酸素の存在する大気リフロー炉ではんだ付けを行うと、加熱時に酸化したはんだ付け部の酸化物を完全に還元除去できない。従って、無洗浄ソルダペーストは、はんだ付け不良を発生させるばかりでなく、酸化した粉末はんだを充分に還元させることができず微小はんだボールを発生させてしまう。しかしながら無洗浄ソルダペーストでも酸素の存在しない不活性雰囲気のリフロー炉ではんだ付けを行うと、加熱時にはんだ付け部が酸化されないため、はんだ付け不良や微小はんだボール発生のないはんだ付けが可能となる。従って最近、電子機器業界では不活性雰囲気リフロー炉が多く使用されるようになってきた。

不活性雰囲気リフロー炉は、炉内の酸素濃度をできるだけ低くした方がはんだ付け不良に対して有効である。そこで不活性雰囲気リフロー炉では、外部から空気が侵入しないように出入り口にラビリンスのような工夫を凝らしたり、炉内の熱風の乱を抑えて外部から空気が侵入しないようにしたりしている。

一般に、不活性雰囲気リフロー炉は、外部に設置されたガスボンベや不活性ガス発生装置等から炉内に不活性ガスを流入させるが、常に新しい不活性ガスを流入させていたのでは不活性ガスの消費量が多くなってランニングコストが高くなる。そこで炉内の不活性ガスを浄化して再使用することがなされている。不活性ガスの浄化とは、はんだ付け時にソルダペーストから発生する溶剤の蒸気やフラックス・フュームを除去することである。

つまりソルダペーストをリフロー炉で加熱すると、予備加熱ゾーンではソルダペースト中の溶剤が蒸発し、本加熱ゾーンではフラックスが高温加熱されるためフラックスが分解してフラックス・フュームとなる。このように蒸発した溶剤やフラックス・フューム（以下、代表してフラックス・フュームという）がリフロー炉内の構成部分に付着すると、そこで結露し、さらにそれが固化する。そして長い間に固化したフラックス・フュームが堆積すると、それがはんだ付け時にプリント基板の上に落下して高価なプリント基板やSMDを汚したり、搬送装置の円滑な走行を妨げたりする。そのため従来から、フラックス・フューム除去装置を設置したリフロー炉が多数提案されていた。（参照：特許文献１〜８）
特開平1-305594号公報 特開平4-13474号公報 特開平4-46667号公報 特開平4-251661号公報 特開平5-50218号公報 特開平9-307224号公報 特開平10-335807号公報 実開平5-93079号公報

ところで従来のフラックス・フューム除去装置を設置したリフロー炉では、フラックス・フュームを完全に除去することが困難であり、フラックス・フューム除去装置を通過した気体がリフロー炉に環流するパイプ中に付着したり、リフロー炉に環流した気体中のフラックス・フューム濃度が高くなってリフロー炉の炉壁や冷却ゾーンに付着したりしてしまうことがあった。本発明は、炉外に導出された炉内の気体からフラックス・フュームを効率よく除去できるリフロー炉を提供することにある。

本発明者らは、フラックス・フュームが結露した時点では、液状であること、紙は液体を吸い取りしやすいこと、そしてフラックス・フュームは長穴内を通過するときに長穴の壁面に付着しやすいこと、などに着目して本発明を完成した。

本発明は、ソルダペーストではんだ付けを行うリフロー炉内で加熱されたソルダーペーストから発生した溶剤の蒸気およびフラックス・フュームを不活性ガスとともにリフロー炉の外部にパイプで導出し、リフロー炉の外部に設置されたフラックス・フューム除去装置で溶剤の蒸気およびフラックス・フュームを除去してから不活性ガスを再度リフロー炉内に戻す不活性雰囲気リフロー炉において、前記除去装置のフィルター部には多数の長穴を有する紙製のブロック状フィルターが長穴を溶剤の蒸気およびフラックス・フュームの流動方向に向かうようにして設置されていることを特徴とする不活性雰囲気リフロー炉である。

本発明の不活性雰囲気リフロー炉は、炉内の気体を多数の長穴内に通過させるため、気体が長穴を通過するうちにフラックス・フュームが冷やされ、結露して長穴に付着する。フラックス・フュームは結露したときには液状であるが、フィルターは液体が染み込みやすい紙でできているため、液状となったフラックス・フュームは瞬時に紙製のフィルターに染み込んでいく。従って、除去装置を通過したフラックス・フューム含有の気体は、ほとんどがフィルターで除去される。しかも、紙製フィルターは、液状となったフラックス・フュームが続けて染み込んでいくため、染み込み効果が長期間持続する。しかしながら、紙製フィルターでも吸い込み量には限度があり、染み込み状態が悪くなる。そのときには新しいフィルターに交換するだけでよく、交換の手間が非常に簡単に行える。紙製フィルターは焼却が可能であり、交換した使用済みのフィルターに染み込んだ物質がフラックス中の松脂、チキソ剤、溶剤等であるため、焼却処分をしても何ら公害問題を起こさない。従って、使用済みの紙製フィルターは、後処理も非常に容易となる。

本発明に使用するフィルターは、長穴が気体の流動方向に向かうようにしてある。長穴が気体の流動方向に向かうとは、長穴が傾斜したり屈曲したりしていても入口から出口に向かう方向に容易に流動できる状態であり、長穴を気体の流動方向に対して平行にしたり、ジグザグ状にしたりする。長穴をジグザク状にすると長穴の長さがさらに長くなって、それだけフラックス・フュームが付着しやすくなる。

ブロック状のフィルターは、長穴方向に複数個に分割して積み重ねたものにしてもよい。フィルターを積み重ねると積み重ね部分で長穴の位置がずれるため、その部分で気体の流動速度が急に変わり、気体の流速が急に変わった部分にはフラックス・フュームが付着しやすくなって、フラックス・フュームの除去率が向上する。

以下図面に基づいて本発明を説明する。図１は本発明リフロー炉の正面断面図、図２はリフロー炉内のフラックス・フュームの吸引部分を説明する平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４はフラックス・フューム除去装置のうちのフィルター部の一部断面図、図５は同正面断面図、図６は本発明に使用するフィルターの平面図、図７は本発明に使用する別のフィルターの平面図、図８は本発明に使用するフィルターの正面断面図、図９は本発明に使用する別のフィルターの正面断面図である。

リフロー炉１は、長手方向にトンネル２が形成されており、該トンネル内には入口３側から出口４側に向かって順次予備加熱ゾーン５、本加熱ゾーン６、冷却ゾーン７となっている。予備加熱ゾーン５と本加熱ゾーン６の上下部には熱風吹き出し型ヒーター８…が設置されており、冷却ゾーン７の上下部には冷却機９、９が設置されている。

トンネル２内には入口３から出口４に向かって一対の搬送コンベア１０、１０が走行している。搬送コンベア１０は、レール１１の上を走行するようになっている。一対の搬送コンベア１０、１０には相対向する方向に多数のピン１２…が突設されており、該ピン上にプリント基板Ｐを載置してトンネル２内を搬送するものである。

熱風吹き出し型ヒーター８内や冷却機９の適宜箇所には不活性ガス供給口１３…が取り付けられており、該不活性ガス供給口は、リフロー炉外の図示しない不活性ガス供給源、例えば窒素ガスボンベや窒素ガスタンク等に接続されている。

角状の吸い込みパイプ１４が搬送コンベアのレール１１に沿って取り付けられている。該吸い込みパイプには、内側、即ち搬送するプリント基板側に複数の吸引口１５…が形成されている。吸い込みパイプ１４の両端には、導出パイプ１６、１６が接続されており、該導出パイプはフラックス・フュームを除去する除去装置１７に接続されている。

フラックス・フュームの除去装置１７とは、フィルター部１８と凝集部１９から構成されており、フィルター部１８と凝集部１９とは除去パイプ２０で接続されている。フィルター部１８とは内部にフィルターが置かれていて、吸引パイプ１４から吸引された大部分のフラックス・フュームをフィルターで吸着除去するものである。そして凝集部１９とは、図示しないブロワーが設置され、内部に水冷フィンが置かれている。ブロワーが吸引パイプ１４、導出パイプ１６、フィルター部１８、除去パイプ２０を通して気体を吸引し、フィルター部１８で吸着除去できなかったフラックス・フュームを水冷フィンに接触させることにより、ここで凝集付着させて回収するものである。

フィルター部１８は、箱状となっており、その前面には開閉自在な扉２１が設置されている。またフィルター部１８の上部には前述導出パイプ１６が接続され、横面の下部には除去パイプ２０が接続されている。フィルター部１８の内部には、下方に周囲が棚となった受け台２２が架設されていて、該受け台上には３個の紙製のブロック状フィルター２３が積み重ねて載置されている。

図６〜９に示すようにブロック状フィルター２３の内部には気体を通過させることができる多数の長穴２４…が挿通している。長穴２４は気体の流通方向、即ちフィルター部１８に収納したときに気体が流通する導出パイプ１６から除去パイプ２０方向に向かってあいている。該長穴の形状は、限定されるものではないが、例えば波形、円筒、ハニカム等である。図６は、多数の紙間に波形紙２５が挟み込まれたもので波形紙２５で形成された長穴２４が上部から下部まで挿通したものである。また図７は、紙を円筒状の筒紙２６で連続形成したもので、長穴２４は、やはり上部から下部まで挿通している。

ブロック状フィルター２３の長穴２４は、図８に示すように気体の流通方向に向かって平行しているものや、図９に示すように気体の流通方向に向かってジグザグ状となっているもの等である。

凝集部１９の流出口には流出パイプ２７、２７が接続されており、該流出パイプはトンネル２の入口３と出口４の上下部に設置された吹き出しノズル２８…に接続されている。

ここで上記構造を有するリフロー炉での稼働状態について説明する。プリント基板Ｐを入口３から搬送コンベア１０に載置し、トンネル２内に搬入する。プリント基板Ｐは、予備加熱ゾーン５の熱風吹き出し型ヒーター８で加熱され、ここではソルダペースト中の溶剤が蒸発させられるとともに、プリント基板や電子部品をヒートショックから守るための予備加熱がなされる。ここで蒸発した溶剤は、図２、３の矢印に示すように搬送コンベア１０の近傍で開口している吸引口１５に吸い込まれる。

予備加熱ゾーン５で予備加熱されたプリント基板Ｐは、次に本加熱ゾーン６に搬送され、ここで高温に加熱されてソルダペースト中の粉末はんだが溶融し、はんだ付け部に濡れ広がる。このときソルダペースト中の松脂、活性剤、チキソ剤等がフラックス・フュームとなり、該フラックス・フュームも搬送コンベア１０の近傍で開口している吸引口１５に吸い込まれる。

吸引口１５に吸い込まれた気化状態の溶剤やフラックス・フュームは、吸引パイプ１４から導出パイプ１６を通って除去装置のフィルター部１８に入る。フィルター部１８に収納されたブロック状フィルター２３には、多数の長穴２４…があいているため、フラックス・フュームはこれら多数の長穴内を通過する。この長穴内を通過する過程でフラックス・フュームは、長穴２４の壁面で冷やされて結露し、該壁面に付着する。このときブロック状フィルターは紙製であるため、長穴の壁面で結露したものは、瞬時に長穴の壁面に染み込んでいく。このようにしてブロック状フィルターの長穴内を通過するフラックス・フュームは、結露したものが次々とブロック状フィルターに染み込んで除去される。フラックス・フュームが大量に付着したフィルターは、フィルター部から取り出して、廃棄や焼却処分する。

そしてフィルター部で完全に除去できなかったフラックス・フュームは除去パイプ２０で凝集部１９に移され、ここで水冷フィンに接触して凝集し、さらに完全に除去される。凝集部では水冷フィンに付着したフラックス・フュームは下部の容器に回収して産廃として処分する。除去装置でフラックス・フュームがほとんど除去された不活性ガスは、流出パイプ２７からリフロー炉１に環流される。

本発明リフロー炉の正面断面図 リフロー炉内のフラックス・フュームの吸引部分を説明する平面図 図２のＡ−Ａ線断面図 フラックス・フューム除去装置のうちのフィルター部の一部断面図 フラックス・フューム除去装置のうちのフィルター部の正面断面図 本発明に使用するフィルターの平面図 本発明に使用する別のフィルターの平面図 本発明に使用するフィルターの正面断面図 本発明に使用する別のフィルターの正面断面図

符号の説明

１ リフロー炉
１６ 導出パイプ
１７ 除去装置
１８ フィルター部
１９ 凝集部
２３ フィルター
２４ 長穴

本発明の不活性雰囲気リフロー炉は、ヒーターが熱風吹き出し型以外にも、遠赤外線照射型、レーザー照射型等、如何なるものにでも適応可能である。

Claims (4)

1. ソルダペーストではんだ付けを行うリフロー炉内で加熱された該ソルダペーストから発生した溶剤の蒸気およびフラックス・フュームを不活性ガスとともにリフロー炉の外部にパイプで導出し、リフロー炉の外部に設置されたフラックス・フューム除去装置で溶剤の蒸気およびフラックス・フュームを除去してから不活性ガスを再度リフロー炉内に戻す不活性雰囲気リフロー炉において、前記除去装置のフィルター部には多数の長穴を有する紙製のブロック状フィルターが長穴を溶剤の蒸気およびフラックス・フュームの流動方向に向かうようにして設置されていることを特徴とする不活性雰囲気リフロー炉。
2. 前記フィルターは、長穴が気体の流動方向に対して平行であることを特徴とする請求項１記載の不活性雰囲気リフロー炉。
3. 前記フィルターは、長穴が気体の流動方向に対してジグザグ状となっていることを特徴とする請求項１記載の不活性雰囲気リフロー炉。
4. 前記フィルターは、長穴方向に複数個に分割してあることを特徴とする請求項１記載の不活性雰囲気リフロー炉。

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